摘要：建立了用于溫度效應(yīng)分析的光學(xué)系統(tǒng)熱模型，提出了一種光學(xué)機(jī)械綜合優(yōu)化的被動(dòng)補(bǔ)償方法，該方法將光學(xué)系統(tǒng)中光學(xué)元件和相關(guān)機(jī)械零件溫度特性統(tǒng)一參與光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證在較大的溫度范圍內(nèi)都可以有很好的成像質(zhì)量。設(shè)計(jì)實(shí)例表明，采用這個(gè)方法可以在不增加光學(xué)和機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的情況下得到良好的光機(jī)被動(dòng)無熱化效果。

關(guān)鍵詞：光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；溫度效應(yīng)；光學(xué) 、機(jī)械被動(dòng)補(bǔ)償；無熱化設(shè)計(jì)

1 引言

對(duì)外部環(huán)境的適應(yīng)能力是航天器上的光學(xué)系統(tǒng)有別于其他光學(xué)系統(tǒng)的重要標(biāo)志，它們所承受的溫度、壓力及太陽輻射與地面相差很大，而任何附加的控制手段都意味著成本的上升和可靠性的下降。在各種外部環(huán)境中，溫度變化對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的影響是重要的因索之一，主要有以下幾個(gè)方面。

1）熱差：普通光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)只考慮在一般條件即常溫、常壓的情況，但是在實(shí)際使用中，當(dāng)溫度等環(huán)境因素發(fā)生變化時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)的很多參數(shù)如面形、間隔、厚度、材料折射率等都會(huì)隨之改變，成像就偏離了最佳的狀態(tài)，這種由溫度變化而產(chǎn)生的成像誤差稱作熱差。在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采取相應(yīng)的補(bǔ)償措施消除熱差的方法稱作無熱化設(shè)計(jì)或無熱化技術(shù)。

2）熱噪聲：由于紅外光學(xué)系統(tǒng)所探測(cè)的是熱輻射信號(hào)，當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)本身的溫度達(dá)到探測(cè)器的探測(cè)范圍時(shí)，它自身熱輻射就有可能到達(dá)探測(cè)器接收而上，對(duì)真正的信號(hào)產(chǎn)生干擾，形成背景噪聲。

本文主要針對(duì)熱差分析和無熱化技術(shù)方面展開討論，著重給出一種光機(jī)綜合優(yōu)化被動(dòng)補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)方法，對(duì)用于航天器上的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析有非常重要的作用。

在通常情況下，溫度非均勻分布，情況會(huì)非常復(fù)雜。除了要能夠?qū)Ψ蔷鶆蚍植技右赃m當(dāng)描述之外，非均勻溫度分布產(chǎn)生折射率的非均勻分布和零件的非均勻膨脹會(huì)將簡(jiǎn)單的面形變成復(fù)雜的非球面。由于篇幅所限，這些內(nèi)容不在本文中討論。

關(guān)于空間與地面壓力差的問題本不是本文的內(nèi)容，但是由于涉及到環(huán)境影響，所以在設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)該加以考慮。設(shè)計(jì)應(yīng)該以空間工作狀態(tài)的壓力來設(shè)計(jì)，由于現(xiàn)代設(shè)計(jì)軟件通常是以地面大氣壓下的折射率為相對(duì)值1，因此空間近真空環(huán)境中，相對(duì)折射率就會(huì)小于1，設(shè)計(jì)時(shí)要注意將壓力設(shè)置成真空，但是由于光學(xué)系統(tǒng)的加工安裝都是在地面正常壓力下實(shí)施的，測(cè)試時(shí)會(huì)出現(xiàn)與設(shè)計(jì)值不同的問題，所以設(shè)計(jì)者應(yīng)同時(shí)給出地面壓力時(shí)的計(jì)算值。另外還要注意由于地面和空間的壓力差可能會(huì)造成光學(xué)零件的應(yīng)力應(yīng)變，這也會(huì)對(duì)成像產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，這就要求在鏡筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置適當(dāng)?shù)耐笟饪�，以保持�?nèi)外壓力的一致。

2 熱差分析和無熱化設(shè)計(jì)

要進(jìn)行熱差分析和無熱化設(shè)計(jì)，首先要建立光學(xué)系統(tǒng)的熱模型。從本質(zhì)上來講，溫度變化對(duì)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面。

1）光學(xué)元件的折射率隨溫度變化

常用的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件一般是采用相對(duì)折射率來進(jìn)行計(jì)算的，相對(duì)折射率以空氣折射率為單位折射率。然而當(dāng)溫度變化時(shí)，空氣的折射率也不是固定不變的，因此計(jì)算折射率隨溫度的變化量必須采用絕對(duì)折射率。這兩種折射率之間的關(guān)系為：

在計(jì)算光學(xué)材料折射率隨溫度的變化量時(shí)，首先要利用色散公式計(jì)算光學(xué)材料在參考溫度下的相對(duì)折射率，并計(jì)算空氣在參考溫度下的絕對(duì)折射率，從而計(jì)算出光學(xué)材料在參考溫度下的絕對(duì)折射率。再利用經(jīng)驗(yàn)公式和相關(guān)參數(shù)計(jì)算出光學(xué)材料在指定溫度下的絕對(duì)折射率的變化量以及空氣在指定溫度下的絕對(duì)折射率，從而可以得到光學(xué)材料在指定溫度下相對(duì)于空氣的相對(duì)折射率。其中，空氣的絕對(duì)折射率和相對(duì)折射率分別為：

圖1. 大孔徑近紅外星載相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)

4 結(jié)束語

雖然這些工作已經(jīng)成功地運(yùn)用于多個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析，但實(shí)際空間環(huán)境和溫度分布的復(fù)雜程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過分析時(shí)所給定的情況，因此在這方面還有大量的基礎(chǔ)性工作要做。

需要指出的是，隔圈隨溫度的變化量是非常微小的，它在被動(dòng)補(bǔ)償中的作用也就十分有限，必須與光學(xué)補(bǔ)償結(jié)合使用才能達(dá)到良好的效果。如果需要擴(kuò)大被動(dòng)補(bǔ)償?shù)哪芰�，還可以采用其他一些非常特殊的結(jié)構(gòu)，通過對(duì)特定機(jī)構(gòu)溫度變形的復(fù)雜傳遞實(shí)現(xiàn)被動(dòng)機(jī)械補(bǔ)償。但這樣的結(jié)構(gòu)不僅設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，體積可能也會(huì)比較龐大，在許多對(duì)體積和重量有要求的光學(xué)系統(tǒng)中不宜采用。

在中長(zhǎng)紅外波段的光學(xué)系統(tǒng)可選用的材料很少，而且與可見光波段的材料相比，這些材料光學(xué)特性隨溫度的變化更為明顯，單靠光學(xué)材料實(shí)現(xiàn)被動(dòng)補(bǔ)償?shù)臒o熱化設(shè)計(jì)非常困難。目前可以在中長(zhǎng)紅外波段采用折/衍混合光學(xué)系統(tǒng)，折/衍混合光學(xué)系統(tǒng)是由傳統(tǒng)的折射光學(xué)元件和衍射光學(xué)元件（Diffractive Optical Element）組成的光學(xué)系統(tǒng)。由于DOE具有特殊的衍射色散特性，且用其特殊的加工方法可毫無困難地提供球面自由度和實(shí)現(xiàn)組合功能。因此在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，利用DOE可使?jié)M足設(shè)計(jì)要求所需的光學(xué)元件大為減少，從而減少了系統(tǒng)的體積和重量。另一方面，DOE又具有負(fù)的熱差效應(yīng)，利用該特點(diǎn)容易實(shí)現(xiàn)無熱化要求的光學(xué)系統(tǒng)，同時(shí)由于波長(zhǎng)比較長(zhǎng)，衍射元件的臺(tái)階尺度可以比較大，使用目前的工藝技術(shù)完全可以實(shí)現(xiàn)。

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